地震前兆仪器最小工作系统研究

2019-06-21赵希磊陶方宇尹晓明

防灾减灾学报 2019年2期

赵希磊，周志，陈胜，陶方宇，尹晓明

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

0 引言

在“十五”数字化改造和“十二五”一县一台项目建设完成后，安徽省内地震前兆仪器数量已达一百多套，且类型众多，仪器运维压力逐年增大。可用备机备件少、数字化设备故障率高等问题，进一步增加了运维难度[1-3]。同时，运维人员新手多、经验积累不足，无法满足当前工作需要。为解决仪器运维困局[4]，李军等[5]结合Socket技术和多线程技术，使用Java语言设计开发了一套教学和培训模拟系统，为人员交流培训提供平台；王秀英等[6]设计的地震前兆设备动态监控报警系统，实现了前兆设备监控管理，有效提高了仪器运维智能化。虽然在前兆仪器运维软件方面成果丰硕，但硬件方面研究较少。

参考单片机最小工作系统原理，对前兆仪器最小工作系统进行研究，以获得能实现仪器基本功能的最少硬件结构为目的。通过系统搭建，为仪器快速检测维修[7]、人员交流培训提供便利。

1 地震前兆仪器观测系统工作原理

观测系统一般由装置系统、测量系统和检定系统构成，如图1所示。

图1 地震前兆仪器观测系统示意图Fig.1 A schematic diagram of an earthquake precursor instrument observation system

地震前兆信息最先被观测装置感受到，经固定在观测装置上的测量系统采集和处理后，产出观测数据。对观测装置和测量系统进行检定，是判断观测系统工作是否正常、产出数据是否准确可靠的重要工作。对测量系统的检定，一般称为标定，多数成套的前兆仪器设备都集成了测量系统和标定系统。

2 前兆仪器最小工作系统设计

一套完整的前兆仪器最小工作系统，应包含测量系统和标定系统。测量系统硬件一般包含传感器、数据采集器和传输线路，可完成信号采集流程；标定系统硬件则包含标定电源、标定电机和线路等要件，可完成系统标定过程。搭建仪器最小工作系统，首先要熟悉仪器工作原理，掌握仪器所有零部件功能和接头定义，拥有过硬的焊接技术和基本的电子电路知识。其次，对搭建完成的最小工作系统，要具有零部件检测、检查维护能力，能够通过故障现象准确判断故障部位。

前兆学科有流体、形变、电磁和辅助四大类仪器，每类选取1种仪器具体说明如何搭建最小工作系统。系统搭建过程是：备机备件收集检测、自制传感器及连接线制作、系统各模块相连接和系统安装固定、调试及开机运行试验。

2.1 SWY-II水位仪

SWY-II型数字水位仪最小工作系统由主机、自制探头、电源线和网线组成，如图2所示。其中，自制探头由两个色环电阻（3kΩ±30Ω）并联组成，使用开关控制其中一个电阻，替代了仪器原配的二线制水位传感器。系统工作时，可通过自制探头内部开关通断改变水位测量数据，实验结果如图3所示。仪器维护过程中，可将在网运行的同型号水位仪传感器替换为自制探头，通过仪器屏幕观察自制探头开关闭合前后的数据变化，以判断仪器主机是否存在故障。

图2 SWY-II型数字水位仪最小工作系统Fig.2 Minimum working system of SWY-II

图3 系统工作测试实验结果截图Fig.3 Test result screenshot of system work test

对SWY-II水位仪最小工作系统做测试实验，主机屏幕截图如图3所示。图3（a）是在自制探头开关未闭合情况下的测量数据，测量电压为0.4686 V，对应所测物理量（探头入水深度）为2.086 m，埋深5.914 m（工作参数：静水位，井口至探头距离8 m）。系统工作参数不变，使自制探头开关闭合，测量数据变化如图3（b）所示。测量电压变为0.8628 V，对应所测物理量为6.028 m，埋深1.972 m，实验结果详见表1。另外，在开关未闭合时使用热吹风对自制探头加热，测得一组数据，与图3（a）结果有所变化。

表1 系统工作测试实验结果

实验结果显示最小工作系统反应灵敏，自制探头开关闭合前后，实验数据发生很大变化，是否符合正常观测要求，还需与理论计算结果进行对比。

图4 最小工作系统等效原理框图Fig.4 The block diagram of the equivalent principle of the minimum working system

根据表1自制探头开关闭合前实验数据推算闭合后理论数据，并与表1实际测量值对比。依据仪器说明书，系统工作原理等效框图如图4所示，其中U为测量端供电电压（固定值），I为供电电流，RX为测量采样电阻（62.5 Ω），UX为测量电压，R为自制探头虚线框内等效电阻。设开关闭合前测量电压为UX1，虚线框内等效电阻值为R1；开关闭合后，测量电压为UX2，虚线框内等效电阻值为R2。根据闭合前实验数据计算出供电电压U：

将公式（1）带入开关闭合后测量电压UX2计算公式：

式中，已知UX1为0.4686 V，RX为62.5 Ω。使用万用表测得R1阻值为2.974 kΩ，R2阻值为1.4958 kΩ。

代入计算可得，UX2的理论计算值是0.9131 V。表1中实际测量数据为0.8628 V，与理论值之间绝对误差0.05 V，相对误差5.5%。考虑到温度因素（表1），实验结果基本符合要求，表明该最小工作系统工作正常。

2.2 SSY伸缩仪

伸缩仪有多个观测分量，为简化系统设计只考虑一个信号及标定分量。该仪器最小工作系统由主机、数采、前置放大盒、探头、标定器及各类连接线组成。系统搭建过程是：选择较为安静的场地，用胶将标定器和探头分别固定在水平坚固地面上，步进电机和铁芯安装固定在标定器上，调整铁芯位置使其位于探头圆心，使用自制的各类信号连接线将前置放大盒、主机和数采连接起来，搭建完成。在紫蓬山地震台地下室测震摆房内搭建了一套SSY伸缩仪最小工作系统，实物如图5所示。系统开机实验，挪动图中传感器中间金属棒，在主机端可以观测到-8 V～+8 V输出信号电压，而数采可识别电压为±2 V，超出后显示为一条直线。仪器标定要求电压信号在±400 mV以内，调整后系统标定成功，数据曲线显示出清晰的锯齿波。系统调试完成后，截取了五天的观测数据曲线，如图6所示。图中，可明确区分每日的固体潮汐，但由于装置系统简陋，无法呈现在网运行仪器中常见的正弦型固体潮波形。

图5 SSY伸缩仪最小工作系统实物图Fig.5 The physical diagram of the minimum working system of SSY

图6 SSY伸缩仪五天测试数据曲线Fig.6 Test data curve for five days of SSY

在一个区域型维修中心，可按照上述方法搭建一套简易的伸缩仪最小工作系统，并对系统进行信号采集、调零和仪器标定测试。测试完成后，可将待检测主机、数采、前置放大盒、探头、标定电机等设备，接入并替换系统中对应设备，每次更换检测一个，检测完成后将系统恢复正常工作状态。该系统也可作为仪器维护培训操作实验平台，以提高参训人员对该仪器工作原理和检测方法的认识。

2.3 ZD8M地电阻率仪

ZD8M地电阻率最小工作系统包含ZD8M主机、WL6B稳流电源、两个大功率珐琅电阻（200W40RJ）组成的负载板、显示器、鼠标键盘及各类信号连接线，如图7所示。图中，负载板内瓷片电容可吸收供电端尖峰电压并起到隔直作用，色环电阻则起阻尼作用避免引起震荡。系统搭建过程：首先制作负载板，将采购的珐琅电阻、瓷片电容和色环电阻按照图7焊接好，使用螺丝固定在一块绝缘的聚乙烯板上，输出端正负极采用两个柱状接头；然后将负载板接到稳流电源的输出端，稳流电源供电控制接在ZD8M主机后，连接电源和网络，系统搭建完毕。使用笔记本电脑通过网络启动主机测数工作，主机控制稳流电源供电，负载板模拟外线路承载稳流电源输出的直流电，当主机面板显示的正负供电电压和电流与稳流电源仪表盘显示一致时系统工作正常。该仪器测数普遍采用2 A供电，两个珐琅电阻串联共80 Ω，稳流电源输出电压为160V，工作时功率约320 W。而两个珐琅电阻额定功率为400 W，能够承载供电电流不超过的系统测数工作。然而，该系统运行时发热较多，应尽量缩短系统测试时间，并多备份几块负载板。另外，可将稳流电源与负载板单独相连，稳流电源控制模式采用手动控制，上电后调节电源后面板电位器，通过电源电压表及电流表观察两者是否呈线性变化，可直观判断稳流电源是否故障。该负载板已制作了若干块，分发到省内各观测台站，为主机和电源检测提供便利。

图7 ZD8M地电阻率仪最小工作系统Fig.7 Minimum working system of ZD8M

2.4 WYY-1型气象综合仪

WYY-1型气象综合仪最小工作系统主要由四部分构成：主机、雨量传感器、气压传感器和气温传感器，如图8所示。系统搭建过程较为简单：气压和气温传感器均来自更新淘汰的仪器，雨量传感器则由一个船型开关替代；雨量、气压和气温传感器航空插头分别为3芯、4芯和5芯，连接在主机后面板。接通电源和网络，系统启动工作，液晶屏可实时显示分钟值数据。该系统的工作原理是：气温传感器采用PT100铂电阻变化感知气温变化，通过电桥将信号传输至主机，气压传感器由高灵敏度压力传感器构成，雨量传感器则由手动控制船型开关输出脉冲信号至主机，三路信号经主机AD板采样后变成数字信号，显示在液晶屏上。

图8 WYY-1型气象综合仪最小工作系统Fig.8 Minimum working system of WYY-1

对该系统进行测试，首先等系统稳定运行一段时间后，测得一组数据；然后对系统做以下操作：用热吹风机对温度传感器加热，向气压传感器窗口内吹风，雨量开关通断5次，再测得一组数据。测试结果显示气温上升，气压变大，雨量从0 mm变为0.5 mm。分析可知，热吹风机的热量传递给气温传感器导致了气温上升，对气压传感器吹气引起风扰使气压变大，雨量开关通断5次相当于发送5个脉冲信号，而每个脉冲信号对应0.1 mm雨量，结果表明系统工作正常。日常工作中，遇到观测数据突变等异常情况，可使用最小工作系统的传感器替代在网运行的传感器，观察一段时间数据变化，以尽快确定故障位置，为下一步维修打下基础。